Pathways of N 2 O production by marine ammonia-oxidizing archaea determined from dual-isotope labeling

亚硝酸盐 化学 羟胺 古细菌 氧化剂 硝化作用 一氧化二氮 无机化学 氮气 环境化学 硝酸盐 有机化学 生物化学 基因
作者
Xianhui S Wan,Lei Hou,Shuh-Ji Kao,Yao Zhang,Hua-Xia Sheng,Hui Shen,Senwei Tong,Wei Qin,Bess B. Ward
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:120 (11) 被引量:3
标识
DOI:10.1073/pnas.2220697120
摘要

The ocean is a net source of the greenhouse gas and ozone-depleting substance, nitrous oxide (N 2 O), to the atmosphere. Most of that N 2 O is produced as a trace side product during ammonia oxidation, primarily by ammonia-oxidizing archaea (AOA), which numerically dominate the ammonia-oxidizing community in most marine environments. The pathways to N 2 O production and their kinetics, however, are not completely understood. Here, we use 15 N and 18 O isotopes to determine the kinetics of N 2 O production and trace the source of nitrogen (N) and oxygen (O) atoms in N 2 O produced by a model marine AOA species, Nitrosopumilus maritimus . We find that during ammonia oxidation, the apparent half saturation constants of nitrite and N 2 O production are comparable, suggesting that both processes are enzymatically controlled and tightly coupled at low ammonia concentrations. The constituent atoms in N 2 O are derived from ammonia, nitrite, O 2 , and H 2 O via multiple pathways. Ammonia is the primary source of N atoms in N 2 O, but its contribution varies with ammonia to nitrite ratio. The ratio of 45 N 2 O to 46 N 2 O (i.e., single or double labeled N) varies with substrate ratio, leading to widely varying isotopic signatures in the N 2 O pool. O 2 is the primary source for O atoms. In addition to the previously demonstrated hybrid formation pathway, we found a substantial contribution by hydroxylamine oxidation, while nitrite reduction is an insignificant source of N 2 O. Our study highlights the power of dual 15 N- 18 O isotope labeling to disentangle N 2 O production pathways in microbes, with implications for interpretation of pathways and regulation of marine N 2 O sources.
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